安培

走近SI

安培

对我们大多数人来说，电流从插座中流出并让电器运转起来，是非常神秘的。正如我们人类血管里流淌的血液一样，电流通过我们家里的“导电动脉”而流动，为我们每天所用的各种设备提供动力。实际上，在2019年，安培——国际单位制（SI）电流基本单位，将发生一些“令人激动”的变化。

如今，电已是如此普遍，很多人都对它“无感”。但是，如果突然没有了电，生活将很快变得举步维艰。历史上最早有关电的工作是古希腊人做的，他们将其称作静电。当时，古希腊人观察到，当琥珀与皮毛发生摩擦时，琥珀就能吸起诸如毛发和灰尘这样的小物体。在英语中，电（electricity）这个单词实际上也是源于希腊语的“electron”，意为“琥珀”。然而，在第一次观察到此现象后，人类很多年里都没有对“琥珀电流”展开研究，它一直是一个谜团。在17世纪，人类再次开始了对电的研究，但直至19世纪，这一领域的研究工作才真正开展起来。

电的快速发展也促进了计量学的进步。不仅电学量的测量变得易于实现，而且由于电在所有科学活动中的极端重要性，新的研究、新的技术和新的产业应运而生。结果是，电学测量很快占据了计量学的各个领域。

今天，绝大多数的量甚至是非电学量，如机械属性，都是通过电学方法测量的。

随着对电学的认识和理解不断深入，安培的准确度和精密度也越来越高。1893年，在芝加哥举办的国际电学大会上第一次提出了安培的定义，并于1908年在伦敦举办的国际电学大会上得到确认。当时提出的这个“国际安培”的定义是：每秒时间内从硝酸银溶液中电解出1.118毫克银的电流，这是我们现在所知的安培的早期复现。如今，测量结果表明：1国际安培等于现在的0.99985安培。

然而，这个定义有个重大缺点：它将单位与其实际的复现紧密联系在一起，也就是说，很难确保在不同时间和不同地点进行的测量都是完全一致的。最终，随着电流发生和测量技术的不断进步，人们发现有更好的方法来复现安培。因此，1948年第9届国际计量大会上通过了安培的新定义，并一直沿用至今，即真空中相距1米的两根无限长且圆截面可忽略的平行直导线内通过一恒定电流，当两导线每米长度之间产生的力等于2×10-7牛顿时，则规定导线中通过的电流为1安培。

随着上述安培定义的问世，测量科学再次加速发展。精准地定义安培，意味着计量学家们能够观察分析不同的物理现象，并利用这些现象制造日益准确的测量仪器。例如，量子物理已为应对测量挑战提供了很多新型独特的解决方案。

但是，现在SI基本单位安培的实际复现方法远不同于其官方定义。安培的实际复现方法是基于电流与电压和电阻之间的关系，用一种称作“约瑟夫森结”的装置产生电压，用“量子化霍尔效应”产生电阻。

产生电压和电阻的这两种方法均运用了已被人们充分认识的物理现象，它们分别基于约瑟夫森常数和冯克里青常数这两个物理常数（约瑟夫森和冯克里青都是诺贝尔奖获得者），并且都可以用自然界的基本常数：基本电荷e和普朗克常数h来表示。

使用这些常数的好处是什么呢？无论怎样，自然常数都将保持不变，因此，利用常数来定义一个单位，就使得该单位在全宇宙都是可测量的（例如，普朗克常数在哥本哈根、罗马或火星上均是相同的）。基于自然常数来定义的单位，也保证了测量标准的长期稳定性。

自2019年5月20日，安培的定义将是：安培是SI电流单位，符号A，当基本电荷e以单位C，即As表示时，将其固定数值取为1.602 176 634×10-19来定义安培，其中秒用△VCs定义。

此次安培定义的变化是根本性的，是测量科学的一个里程碑。重新定义将成为应对21世纪科学技术挑战的重要支撑。

你知道吗？每个人其实都是一个小型发电站。我们的神经系统就是一个“电路”，不断地以电脉冲的形式发送视觉、触觉和听觉的刺激信号给我们的“中央处理器”——大脑。然后，由大脑来处理这些电脉冲，这样，我们就能看到、听到、尝到、闻到和感觉到热、冷和疼痛。反过来，大脑再发送适当的电脉冲至我们的身体进行控制。感谢电脉冲！我们的心脏因此才能跳动，我们才能有意识地走路、跑步、画画和跳跃。不管我们是否喜欢它，安培——一直在每个人的身体内！

（来源：欧洲计量组织 翻译：中国计量院 朱秀梅 高蔚 整理：史玉成）

《中国质量报》